基于表面构型的二次电子发射及微放电特性研究

doi:10.3901/JME.2018.09.121

机械工程学报 ›› 2018, Vol. 54 ›› Issue (9): 121-127.doi: 10.3901/JME.2018.09.121

• 特邀专栏：航天先进制造技术专栏 • 上一篇下一篇

扫码分享

基于表面构型的二次电子发射及微放电特性研究

封国宝^1,2, 崔万照¹, 胡天存¹, 陈邦道³, 王宁³

1. 中国空间技术研究院西安分院国家级空间微波技术重点实验室西安 710000;
2. 西安交通大学电子与信息工程学院西安 710049;
3. 西安交通大学机械工程学院西安 710049

收稿日期:2017-06-30 修回日期:2017-11-06 出版日期:2018-05-05 发布日期:2018-05-05
通讯作者: 崔万照(通信作者),男,1975年出生,博士,研究员,博士研究生导师。主要研究方向为空间微放电及无源互调。E-mail:cuiwanzhao@126.com
作者简介:封国宝,男,1987年出生,博士。主要研究方向为空间材料二次电子发射及辐照带电效应。E-mail:fenggb001@163.com
基金资助:
国家自然科学基金（U1537211，11675278，51675421）和中国博士后科学基金（2016M602944XB）资助项目。

Research on Secondary Electron Emission and Multipactor Discharge via Surface Micro-trapped Structure

FENG Guobao^1,2, CUI Wanzhao¹, HU Tiancun¹, CHEN Bangdao³, WANG Ning³

1. National Key Lab of Science and Technology on Space Microwave, China Academy of Space Technology, Xian 710000;
2. School of Electronic and Information Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;
3. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049

Received:2017-06-30 Revised:2017-11-06 Online:2018-05-05 Published:2018-05-05

摘要/Abstract

摘要： 针对航天有效载荷微波部件频发的微放电现象，采用微陷阱表面构型来抑制微波材料表面的二次电子发射，从而达到微放电抑制效果。通过硅基材料的表面刻蚀和金属Ag的表面溅射获得规整的金属表面微陷阱结构，将表面处理过的金属样品在二次电子发射平台的电子枪20~4 000 eV照射下，采用电流法获得金属微陷阱表面的二次电子产额曲线及抑制特性。此外，通过将表面出射的二次电子分为弹性背散射电子、非弹性背散射电子和本征二次电子，并跟踪电子在陷阱结构内的级联再入射过程，建立表面圆柱孔和矩形槽微陷阱表面的二次电子发射数值模型，模拟结果与测试结果能很好吻合。采用数值模拟的方法构造不同深宽比的微陷阱结构表面，最大二次电子产额、第一交叉能量以及微放电品质因子的变化规律。研究结果表明：陷阱结构的侧壁遮挡效果能有效抑制二次电子从表面发射，并且深宽比越大的表面陷阱结构抑制效果更强，而在相同深宽比情况下，圆柱孔陷阱结构比矩形槽陷阱结构对二次电子的抑制效果更好，此外，陷阱结构的深宽比不仅能使得最大二次电子产额减小、第一交叉能量增大，还会近线性地增大材料的微放电品质因子F。

关键词: 二次电子发射, 数值分析, 微放电, 微陷阱结构

Abstract: With the purpose of suppressing multipactor discharges in spacecraft, a kind of micro-trap structure is proposed to reduce hold secondary electron emission from the sample surface. After etching structure on the surface and spurting metals on its structure surface, samples with micro-trap structure on its surface are obtained and tested their secondary electron emission characteristics in a testing platform(20~4 000 eV). In addition, a numerical simulation model is built with dividing the emitted electron into the elastic backscattering electrons, the inelastic backscattering electrons and the true secondary electrons. Numerical simulation results agree well with experimental results. Experimental and simulation results show that those micro-trap structure can help suppress secondary electron emission effectively, and the depth-to-width ratio of structure will enhance the effect of suppression as well. Surface structure with a cylindrical hole resist the secondary electron emission better than the surface structure with rectangle groove when their depth-to-width ratios are the same. Furthermore, a sample with a larger depth-to-width ratio can not only corresponds a less maximum secondary electron yield and a larger first cross energy, but also improve the quality factor of multipactor discharge F linearly.

Key words: micro-trapped structure, multipactor discharge, numerical analysis, secondary electron emission

中图分类号:

O462

封国宝, 崔万照, 胡天存, 陈邦道, 王宁. 基于表面构型的二次电子发射及微放电特性研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(9): 121-127.

FENG Guobao, CUI Wanzhao, HU Tiancun, CHEN Bangdao, WANG Ning. Research on Secondary Electron Emission and Multipactor Discharge via Surface Micro-trapped Structure[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(9): 121-127.

参考文献

[1] 张娜, 崔万照, 胡天存, 等. 微放电效应研究进展[J]. 空间电子技术, 2011, 8(1):38-43. ZHANG Na, CUI Wangzhao, HU Tiancun, et al. Advances in research on multipactor[J]. Space Electronic Technology, 2011, 8(1):38-43.
[2] 武小坡,赵海洋. 微波大功率组件微放电研究[J]. 微波学报, 2012, 28(6):62-65. WU Xiaopo, ZHAO Haiyang. Research on multipactor of microwave high power modules[J]. Journal of Microwave, 2012, 28(6):62-65.
[3] LARA J D, PEREZ F, ALFONSECA M, et al. Multipactor prediction for on-board spacecraft RF equipment with the MEST software tool[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2006, 34(2):476-484.
[4] KISHEK R A, LAU Y Y, ANG L K, et al. Multipactor discharge on metals and dielectrics:Historical review and recent theories[J]. Physics of Plasmas, 1998, 5(5):2120-2126.
[5] KIM H C, VERBONCOEUR J P. Transition of window breakdown from vacuum multipactor discharge to rf plasma[J]. Physics of Plasmas, 2006, 13(12):2120.
[6] 陈建荣,吴须大. 星载设备中的微放电现象分析[J]. 空间电子技术, 19991:19-23. CHEN Jianrong, WU Xuda. Analyze of multipactor in spacecrafte devices[J]. Space Electronic Technology, 1999, 1:19-23.
[7] 张强,孟范忠,吕进来. 星载固态功率放大器低气压放电和微放电研究[J]. 半导体技术, 2013(5):388-391. ZHANG Qiang, MENG Fanzhang, LÜ Jinlai. Research on low-pressure discharge and multipaction of solid state power amplifiers in satellite-borne paylpad[J]. Semicon. Tech., 2013(5):388-391.
[8] 李源,幸研,仇晓黎. 聚焦离子束微纳加工的溅射刻蚀工艺模型研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(5):101-106. LI Yuan, XING Yan, QIU Xiaoli. Research on the process model for focused ion beam sputtering etching micro/banofabrication[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(5):101-106.
[9] 崔万照,杨晶,张娜. 空间金属材料的二次电子发射系数测量研究[J]. 空间电子技术, 2013, 10(2):75-78. CUI Wanzhao, YANG Jing, ZHANG Na. Testing method of the secondary electron emission yield of space metal materials[J]. Space Electr. Tech., 2013, 10(2):75-78.
[10] CAO M, ZHANG N, HU T C, et al. Secondary electron emission from rough metal surfaces:A multi-generation model[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 2015, 48(5):55501-55507.
[11] FURMAN M A, PIVI M T F. Probabilistic model for the simulation of secondary electron emission[J]. Phys. Rev. St. Accel. Beams, 2002, 5(12):317-322.
[12] NISTOR V C, AGUILERA L, MONTERO I, et al. Strategies for anti-multipactor coatings of suppressed secondary emission and low insertion losses for high power RF components in satellite systems[C]//7th International Workshop on Multipactor, Corona and Passive Intermodulation in Space RF Hardware,Valencia, Spain. 2011:25-32.

[1]	李亚栋, 陶友瑞, 王崇帅, 段书用, 李长峰, 姬昭鑫. 短距离压电式喷射点胶卫星滴形成机理及抑制策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 347-355.
[2]	陈吉清, 陶洪达, 兰凤崇, 李伟健, 蒋心平. 低温冷源对动力电池包内部温湿特性影响分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(14): 227-237.
[3]	张旋, 余永刚, 张欣尉. 基于流固耦合的瞬态多相流场特性研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(16): 406-417.
[4]	王新鑫, 迟露鑫, 许惠斌, 樊丁. 双TIG电弧中氧传质行为的数值分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(4): 53-62.
[5]	王永青, 班仔优, 韩灵生, 刘阔, 孔繁泽, 刘海波. 液氮内喷式主轴迷宫密封结构变形对泄漏特性的影响[J]. 机械工程学报, 2021, 57(3): 129-136.
[6]	余进, 陈炜, 胡久韶, 周杨, 蒋金玉, 程伟. 基于实测的倾斜沉降储罐结构性能分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(16): 61-70.
[7]	杨龙, 杨冰, 阳光武, 肖守讷, 朱涛. 点焊接头疲劳研究综述[J]. 机械工程学报, 2020, 56(14): 26-43.
[8]	太兴宇, 杨树华, 马辉, 张勇, 褚福磊. 叶尖碰摩诱发的转子系统振动响应数值分析与试验研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(19): 112-120.
[9]	王国林, 乔磊, 周海超, 钱浩, 刘从臻. PCR轮胎接地性态对噪声与滚动阻力影响研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(16): 123-131.
[10]	王筱杰, 王大威, 李永东, 苌群峰, 张楚贤. 基于第一性原理计算的空间微波器件低的二次电子发射系数材料的研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(9): 115-120.
[11]	石坤, 张广鹏, 魏锋涛, 原园. 机械结合部动态特性的等效参数研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(19): 144-149.
[12]	权辉, 傅百恒, 李仁年, 苏清苗, 韩伟, 李瑾. 基于叶片翼型负荷的螺旋离心泵叶轮域能量转换机理^*[J]. 机械工程学报, 2016, 52(16): 169-175.
[13]	丁雪萍, 李桓. 焊接电流影响GMAW双丝焊电弧等离子体的数值模拟研究^*[J]. 机械工程学报, 2016, 52(16): 71-76.
[14]	周海超, 梁晨, 杨建, 王国林, 薛开鑫. 提升轮胎抗滑水性能的仿生方法[J]. 机械工程学报, 2015, 51(8): 125-130.
[15]	吕祥奎, 杨文健, 许国良, 黄晓明. 密封结构中粗糙表面特征对其气密性的影响[J]. 机械工程学报, 2015, 51(23): 110-115.

基于表面构型的二次电子发射及微放电特性研究

Research on Secondary Electron Emission and Multipactor Discharge via Surface Micro-trapped Structure

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价